量子通信的奧秘-文庫吧
2025-06-13 22:42 本頁面
【正文】 利用量子的這一特性制作的密碼，從理論上講是一種最為安全的密碼。一個量子物質(zhì)的傳送過程就像光在光纖里傳輸過程一樣，如果一個偷聽者想在某一個地方偷聽信息，或者將該信息內(nèi)容復(fù)制下來，這就是一種測量行為，這種測量對量子體系來說意味著對整個體系的破壞，其結(jié)果是被測量的信息將全部消失。正是基于以上原理，科學(xué)家們提出了量子密碼的概念，并把它應(yīng)用與量子通信系統(tǒng)中，因此從理論上講，量子通信是絕對安全的。實際上，關(guān)于量子密碼的起源，還有一個有趣的小故事。二十世紀70年代，在量子通信概念提出以前，當時美國的偽鈔特別猖狂，美國哥倫比亞大學(xué)有一個年輕的學(xué)者，提出了電子貨幣的概念。他建議使用量子信息建立一種無法復(fù)制的量子貨幣，并寫了一篇文章，投到一個雜志，那個雜志的編輯認為這個年輕人簡直就是胡思亂想，于是把稿子退了回去。 到了二十世紀80年代，美國彼尼特和加拿大的一個密碼學(xué)家Bennett Brassard開國際會議閑聊時，談到這個年輕人的想法，覺得非常有啟發(fā)。于是他們就把年輕人的想法研究了一番，并提出了BB84量子密碼的方案。這便是量子密碼的起源。BB84量子密碼的方案在已經(jīng)被證明是非常成功的，即便以后的量子計算機，或更高級的儀器都無法破解。BB84量子密碼已經(jīng)成為目前國際上使用最多的一種量子密鑰方案，而且成為量子通信的重要發(fā)展基礎(chǔ)。自從1984年Bennett Brassard 提出量子密鑰分發(fā)的BB84協(xié)議以來，由于其建立在量子的不確定性原理和不可克隆原理基礎(chǔ)上的無條件安全性，量子密碼得到了迅速的發(fā)展。2002年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的研究組在 67千米的光纖中實現(xiàn)了單光子密碼通信；但是由于目前還沒有完美的單光子源，以上實驗均是用弱相干光衰減來近似得到單脈沖，其中有些脈沖仍然含有多個光子，對光子數(shù)目分束攻擊就是不安全的。2003年，Hwang提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)的思想，利用強度不同的弱相干態(tài)光源抵抗分束攻擊。2004年，實際可行的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)方案被提出。2006年,我國中國科技大學(xué)教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨立實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。 注：誘騙態(tài)量子密碼方案量子密碼為兩個遙遠的用戶之間建立隨機、保密且無條件安全的量子密鑰提供了一個強有力的工具。然而，由于實際物理設(shè)備的固有缺陷（如通信光纖傳輸損耗、探測器固有暗計數(shù)、單光子源的尚未實用化等），給實際系統(tǒng)中的量子密鑰生成率和最大安全傳輸距離帶來了局限。為了解決這個問題，國際上許多小組都進行了大量的理論和實驗研究，一些新方法新技術(shù)不斷被提出，誘騙態(tài)量子密碼理論主要是針對竊聽者分束攻擊這一根本問題提出的解決方案。2003 年,Hwang提出了一種抵抗分束攻擊的有效方法——誘騙態(tài)（Decoy）編碼方法?；驹硎前l(fā)送方隨機地使用兩個波長、線寬等物理常數(shù)都相同，只有強度不同的弱相干態(tài)光源，其中一個稱為信號態(tài)（signalstate），用于量子密鑰分配；另一個稱為誘騙態(tài)（decoystate），用于探測竊聽者的存在。太空中的量子通信2008年，在《新物理學(xué)》（New Journal of Physics）雜志上，一支意大利和奧地利科學(xué)家小組宣布，他們首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破標明在太空和地球之間可以構(gòu)建安全的量子通道來傳輸信息，用于全球通信。意大利帕多瓦大學(xué)的保羅維羅來斯和愷莎爾巴伯利領(lǐng)導(dǎo)此研究小組，成功地利用意大利名為馬泰拉（Matera）（Ajisai）人造衛(wèi)星發(fā)射出光子，并讓此衛(wèi)星將這些光子反彈回到了原始出發(fā)地。這標志著無法偷聽的量子編碼通信可望通過人造衛(wèi)星來實現(xiàn)。2007年6月，一個由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通信研究中通過創(chuàng)下了通信距離達144公里的最遠紀錄。而要達到更遠的距離很難，因為大氣容易干擾光子脆弱的量子狀態(tài)。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過人造衛(wèi)星來發(fā)送光子。由于大氣隨高度的增加而日趨稀薄，在衛(wèi)星上旅行數(shù)千公里只相當于在地面上旅行8公里。為證實地面能觀測到從軌道衛(wèi)星上發(fā)送回來的光子，此研究小組從意大利馬泰拉（Matera）激光測距天文臺的望遠鏡向阿吉沙（Ajisai）人造衛(wèi)星發(fā)射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造衛(wèi)星由318面鏡片組成，從精確的鏡片上反彈回來的單批光子成功地回到了此天文臺。參與此項研究的奧地利維也納的量子光學(xué)和量子信息研究所著名量子物理學(xué)家安頓宰林格（Anton Zeilinger）認為太空至地球的量子通信是一項可行技術(shù)。宰林格正在打造一個人造衛(wèi)星，用于產(chǎn)生糾纏光子，接收信息并對信息編碼，之后再將編碼的信息反射回來，以建立全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信走進日常生活——中科大建成世界首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò) 量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實,從上世紀90年代開始,國內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學(xué)基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信
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